钱啸,谈孝凤,江兆春,李学琳,彭顺正

（1.罗甸县郎当种养殖专业合作社，贵州 罗甸 550100；
2.北京金禾天成科技有限公司，北京 100000；
3.贵州省植保植检站，贵州 贵阳 550006；
4.贵州省农业科技信息研究所，贵州 贵阳 550006）

掌握火龙果田间土壤养分变化实时数据有助于揭示和明确火龙果生长发育对养分需求的规律。目前，应用物联网技术采集作物田间养分数据，监测其数据实时变化规律，分析研判作物生长发育所需的养分规律，对于提高作物精准施肥及生产栽培具有重要意义。如杨秀增［1］基于物联网搭建一套甘蔗农田数据采集系统，该系统由田间节点、数据集中器、服务器、监控数据中心构成。采集数据包括空气温湿度、光强、土壤湿度等参数，旨在研究环境参数与甘蔗生长发育的变化。张桃［2］综合农户需求，构建物联网智慧农业数据采集与分析系统，系统包括监测、传感器联动控制、数据可视化、数据分析、预警机制等模块。刘智臣［3］提出一种农业大数据生产决策系统，基于物联网采集生产各环节数据，并对数据进行关联性分析，为企业生产者提供指导。这些系统均是采用物联网技术优势，实时监测田间环境参数变化，决策生产管理，旨在达到作物生产提质增效。

目前，贵州主要从土壤肥力、地温湿度变化模型、水肥配方、病虫害预警等方面入手构建火龙果果品提质增效模型。但是，土壤肥力、地温湿度等参数的采集均采用人工方法测定。根据火龙果作物生长特性，果品提质增效模型构建所需研究的参数变化要求的时间周期跨度长、测定的参数频次多、试验分析数据量大，导致建模成本高昂。为压缩建模成本，实现参数的自动实时采集是最有效的方法。为构建快速低廉的火龙果果品提质增效模型提供基础数据，构建基于物联网技术的贵州山地火龙果园田间土壤养分实时监测系统。

火龙果园田间土壤养分采集系统（亦称为火龙果提质增效分析管理系统）分为硬件采集平台和软件分析平台。硬件平台部署在火龙果田间，负责采集田间土壤养分（包括土壤NPK、温湿度等参数）数据；
软件分析平台主要负责田间养分数据存储、分析等。

1.1 系统设计目标

为提高和优化火龙果栽培提质增效模型有效性及精准度，需采集大量的土壤氮、磷、钾、温湿度等养分数据，并且实时掌握某个时间段内各养分参数在火龙果栽培管理过程中实时变化规律。为此，根据实际需求，系统主要目标是：

1）实时自动采集火龙果园土壤氮、磷、钾、温湿度等参数。

2）系统采集周期为0.5 d采集1次，每天北京时间9：00及14：00准时自动采集，并且系统稳定运行90%以上，土壤养分参数检测精度在99%以上。

3）系统能够绘制连续时间段内的数据变化图（包括折线图和柱状图）。

4）系统能够对数据进行增删改查管理等。

1.2 系统硬件采集平台设计

硬件采集平台包括传感器采集节点、数据采集传输控制设备、电源开关。

1.2.1 数据采集节点部署 系统试验部署场地为贵州省罗甸县郎当合作社火龙果基地，处于高纬度、低海拔地区，园区地形分布为向阳面陡坡，总面积约13.33 hm2。通过对园区地形勘测调查，综合园区地形环境及坡度（勘测结果在40°以内），综合坡度及单位面积内传感器部署方案。具体部署如表1所示。

表1 数据采集节点部署设置

1.2.2 采集平台机构设计与实现硬件采集平台机构采用局域网实现传感器与云盒通讯互联，通过配置云盒内部串口访问模式的远程访问IP、端口号等参数，实现硬件平台将采集数据远程上报到指定部署的软件分析平台服务器。采用铜芯4芯线连接云盒与土壤养分监测传感器，实现传感器电源供应及数字信号传输；
采用抗电磁干扰的万能适配器为云盒供电。具体组织结构见图1。

图1 数据采集硬件平台

1.3 系统软件平台设计与实现

Spring MVC框架是目前Web应用程序开发主流框架，具有平台无关性，易与其他平台视图框架无缝集成。开发流程简化，功能完备，是目前轻量级WEB应用程序首选。

系统采用Java语言开发，采用B/S架构，采用Spring MVC框架开发设计，采用MySQL开发后台数据库系统。软件分析平台包括数据采集与存储管理模块、数据图表绘制模块、数据查询模块、设备管理模块。系统功能框架见图2。

图2 系统功能模块

其中，土壤养分数据库管理模块功能主要实现数据添加、修改、编辑、查询和存储功能，采用视图、函数、存储过程、事务等技术实现，主要数据表包括用户管理表user、NPK养分参数表NPK、土壤温湿度表humiture、站点信息表等。土壤养分数据采集控制模块主要负责实现定时采集数据，基于定时器和多线程技术实现。土壤养分图表分析模块实现绘制连续时间段内的各个养分数据变化曲线或柱状图，旨在快速掌握火龙果不同生长阶段对养分需求的变化规律，主要基于时间段位、站点、设备编号、查询参数、监测点标识作为组合查询条件对数据进行筛选分析。传感器设备管理模块主要实现对指定站点信息、云盒名称及其编号、型号等查询，以备对设备运行状态及相关信息进行监控；
站点管理信息管理模块旨在实现云盒设备信息追溯，管理信息包括云盒设备编号、类型、所述基地、安装地址、IP及端口号等信息。

1.4 软件分析平台与数据采集平台通讯机制

数据采集平台与软件平台通讯机制为进入云盒参数配置界面，配置通讯模式为串口透传模式，并配置安装部署软件分析平台的服务器的公网IP地址及端口。保存配置重启云盒，而后软件分析平台可通过定时器控制发送指定的数据采集指令给云盒，云盒执行对其接入的数据采集节点收集数据并上报反馈给软件分析平台。

1）系统登陆。通过给定URL地址，在浏览器中输入地址，进入登录界面，输入用户名及密码，即可登陆（图3）。

图3 系统登陆界面

2）系统首页展示。用户登录成功后，进入首页界面，界面包括系统设置、定时任务、个人中心、站点分布、基地站点、采集设备、温湿度及NPK数据、设备数据统计分析内容，选择界面中的任意一个功能按钮即可进行操作（图4）。

图4 系统首页

3）站点分布管理。点击站点中心，输入需查询的监测站点，进入站点管理界面。从图5中可知，可查询到云盒的端口、IP地址、设备系列号、生产厂家、安装地址、基地等信息，为用户提供详细资料。

图5 站点管理

4）设备管理功能。点击“采集设备”选项，进入设备管理界面，选择站点名称、云盒设备名称、云盒编号、设备型号、GIS定位坐标信息等，然后点击查询即可获取对应信息（图6）。

图6 设备管理界面

5）土壤养分数据管理功能。在首页进入“温湿度及NPK数据”菜单，选择时间期间段、站点、云盒设备编号、查询的数据参数指标（包括N、P、K、温湿度等）、数据采集通道数等信息。在界面中还可对信息进行增删、编辑、导入导出等操作（图7）。

图7 土壤养分数据库管理

6）土壤养分数据图表分析。首页进入“设备数据统计分析”菜单界面，在下拉列表中输入时间，站点，设备编号，数据，通道信息，选择查询功能按钮即可进行操作，选择查询按钮后，即可查看相应的土地温度分析图表信息，其中界面包括站点，设备，设备编号，数据类型，时间，采集通道，数据内容（图8）。

图8 土壤温度实时变化曲线界面

为计算系统传感器测定精度，采用手持氮磷钾温湿度检测仪测定火龙果试验样本主根基部20 cm为半径的圆形区域相关养分参数（作为基准参数），并与传感器测定的数据进行偏差分析，以计算参数检测精度。统计2021年4月1日至2021年12月31日期间系统运行状态、数据精度等指标。

经统计，系统运行274 d，其中稳定运行的时间为268 d，系统稳定运行时间为98.17%，系统测定氮、磷、钾、温度和湿度的精度分别达99.87%、99.89%、99.67%、99.95%和99.85%。系统性能完全满足预期设计目标，能够满足实际应用需求，该系统完全可以用于后续优化和改进火龙果提质增效模型。

构建基于物联网的火龙果田间土壤养分实时采集系统参考相关智慧农业物联网系统设计理论，并针对节点部署方法、系统功能设计、系统软硬件平台通讯机制、以及功能试验测试进行分析。结果表明，该系统各部分功能完全达到预期设计目标，满足实际应用。为实现贵州山地火龙果提质增效模型快速、低成本、高效率、高精度等优化提供了理论技术基础。

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